DE69633946T2 - Vorrichtung zur Detektion elektromagnetischer Reflexion von biologischem Gewebe - Google Patents

Vorrichtung zur Detektion elektromagnetischer Reflexion von biologischem Gewebe Download PDF

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    • A61M5/427—Locating point where body is to be pierced, e.g. vein location means using ultrasonic waves, injection site templates

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Genauer betrifft die Erfindung ein System zum Lokalisieren von anatomischen Strukturen wie zum Beispiel Blutgefäßen in einem Mammakörper durch die Verwendung von Geräten, die für die eindeutige Absorptions- und Streucharakteristik des Zielgewebes, wie zum Beispiel Blut, empfindlich sind. Weiter liefert die Erfindung ein System zur Verstärkung des Kontrasts zwischen einer Zielstruktur, wie zum Beispiel einem Zielgewebe, und seinem Umgebungsgewebe.
  • Täglich werden in den Vereinigten Staaten viele hunderttausende von medizinischen Verfahren durchgeführt, bei denen eine Punktion von Blutgefäßen vorkommt. Wie bekannt ist, ist Venenpunktion erforderlich, um während Operationen Notfallflüssigkeiten, Blutbestandteile und Anästhetika zu verteilen oder um die Entnahme von Blut für eine biochemische Analyse zu ermöglichen. Die Venenpunktion, die häufig der die Rate beschränkende Schritt ist, wenn intravenöse Verbindungen verteilt werden, kann bei einem typischen Patienten bis zu eine halbe Stunde dauern, oder länger, falls der Patient ein Neugeborenes, ein Kind, ein Alter, ein Fettleibiger oder ein Verbrennungspatient ist. Trotz der enormen finanziellen Last auf unsere Gesellschaft als ganzes, da Operationssäle und medizinisches Personal warten müssen, wenn eine intravenöse Leitung gelegt wird, kann die Verzögerung beim Anbringen einer intravenösen Leitung tatsächlich lebensbedrohlich sein. Außerdem geht mit vielen Venenpunktionen eine hohe Sterblichkeit einher, die dadurch verursacht ist, dass es dem Krankenhauspersonal nicht gelingt, das Blutgefäß zu lokalisieren.
  • Der Grund, warum die Venenpunktion manchmal schwierig durchzuführen ist, ist, dass die Blutgefäße häufig relativ tief innerhalb des Gewebes angeordnet sind, welches unter gewöhnlichen Bedingungen wegen seiner optischen Absorptions- und Streueigenschaften eine Sichtbarmachung der Blutgefäße unmöglich macht. Außerdem wird die Situation dadurch noch verschlechtert, dass das Gefäß, wenn es zu sehr manipuliert wird, krampfartig zucken und sich zusammenziehen kann. Folglich ist es für das medizinische Pflegepersonal notwendig, während einer Venenpunktion Blutgefäße in Echtzeit sichtbar zu machen, um die Risiken für den Patienten zu reduzieren, Zeit zu sparen und die Kosten des Vorgangs zu reduzieren. Außerdem ist durch eine Reduzierung der Zeitdauer des Vorgangs das Personal eingeschränkter einer potentiell kontaminierten Nadel ausgesetzt. Schließlich kann die Sichtbarmachung von Gefäßgewebe wichtige diagnostische und therapeutische Informationen über gewisse Krankheiten wie zum Beispiel Thrombosen, Krebs oder Fehlfunktionen der Gefäße liefern.
  • In der Mitte der 1970er Jahre wurde ein Instrument erfunden, das nach Angabe Chirurgen die Fähigkeit verlieh, oberflächliche Blutgefäße sichtbar zu machen. Es bestand aus einer Quelle für sichtbares Licht, die, wenn sie gegen die Haut hochgedrückt wurde, das Unterhautgewebe durchleuchtete und bei der Sichtbarmachung oberflächlicher Blutgefäße half. Bei dem Blutgefäß-Durchleuchter wurde von den unterschiedlichen Absorptionseigenschaften von Blut und Gewebe Gebrauch gemacht. Da Blut gewisse Lichtwellenlängen stark absorbiert, während Fett und Haut andere Wellenlängen absorbieren, konnte ein Angehöriger des medizinischen Pflegepersonals nach Angabe die Position des Unterhaut-Blutgefäßes mit bloßem Auge visuell wahrnehmen. Der Durchleuchter ist im wesentlichen deshalb außer Benutzung gekommen, da er nicht ausreichend Kontrast zwischen dem Blutgefäß und dem Gewebe liefert, als dass er von anderem Nutzen wäre als für die Venenpunktion oberflächlicher Gefäße. Außerdem verursachten einige Versionen des Blutgefäß-Durchleuchters beim Patienten thermische Schädigungen.
  • Das Scheitern des Durchleuchters verdeutlichte, dass ein hoher Kontrast von kritischer Bedeutung für das medizinische Personal war. Folglich wurde in mehreren Dokumenten vorgeschlagen, eine Beleuchtungswellenlänge zu verwenden, die Oberflächengewebe bis zu einer Tiefe der tiefen Blutgefäße durchdringt, die aber auch von Blut stark absorbiert wird. Siehe z. B. Cheong, W-F, et al., „A Review of the Optical Properties of Biological Tissues,", IEEE Journ. Quant. Elec., 26: 2166–2185 (1990). In diesen Dokumenten ist jedoch keine effiziente Einrichtung zur Beseitigung der Detektion von Streulicht von Bereichen außerhalb des Gefäßbereichs offenbart. Auch ist dort nicht die Beseitigung der Detektion von polychromatischem weißem Rauschen wie zum Beispiel solchem vom Umgebungsraumlicht oder von einer polychromatischen Lichtquelle offenbart. Bei späteren Vorrichtungen wurde nur eine Subtraktionstechnik verwendet, bei der teure Digitalverarbeitung und lästige Computeranalyse verwendet wurden, um unerwünschte Streuwellen zu beseitigen. Außerdem offenbarten diese Vorrichtungen kein Verfahren zur Rauschreduzierung für die Verwendung mit einer Weißlichtquelle, sondern man verließ sich dort vielmehr auf die Verwendung einer monochromatischen Laserlichtquelle, um polychromatisches Rauschen zu reduzieren. Entsprechend bestand Bedarf an einer Vorrichtung zur Kontrastverstärkung, die mit einer polychromatischen Lichtquelle oder in einer polychromatischen klinischen Umgebung verwendbar ist.
  • Am wichtigsten ist es, dass bei elektromagnetischen Abbildungsvorrichtungen zur Konstruktion des jeweiligen Bildes das transmittierte und nicht das reflektierte Licht verwendet wurde. Bei solchen Systemen sind der Bilddetektor und die Lichtquelle, statt Seite an Seite in einer einzigen einstückigen Einheit, an je einer Seite des Patienten untergebracht. Eine solche Anordnung erlaubt leider keine bequeme Beleuchtung und Detektion von der selben Seite wie zum Beispiel in der Form einer einheitlichen Brille oder Rastervorrichtung. Entsprechend erforderte bei vielen dieser Geräte die Bedienung mit dem Patienten viel Klinikpersonal. Außerdem lehren diese Dokumente tatsächlich weg davon, zur Erzeugung eines Bildes Streulicht einschließlich reflektierten Lichts zu verwenden. Statt dessen wird bei diesen Vorrichtungen versucht, alles Streulicht von der Detektion zu beseitigen, da man dachte, dass solches Licht keine Bildinformation trägt.
  • US 4,817,622 offenbart eine Vorrichtung der Eingangs erwähnten Art.
  • US 4,395,731 offenbart eine Fernseh-Mikroskop-Vorrichtung mit einer Fernseh-Kamera, einem Fernseh-Bildschirm, einem Videoschaltkreis, der die Kamera und den Bildschirm miteinander verbindet, wobei der Bildschirm ein Signal empfängt, das repräsentativ für ein von der Kamera erfasstes Bild ist, und der dem Bildschirm ein Signal bereitstellt, das repräsentativ für ein solches Bild ist, um dieses Bild darauf zu reproduzieren, und ein Kopf-Bandmittel, das die Kamera und den Bildschirm darauf zum Erfassen des Bildes und zum Reproduzieren des Bildes positioniert hat.
  • GB 9306776 offenbart eine Vorrichtung zum Produzieren eines Bildes von einem Haut-Erhöhungsmuster, das ein lichtdurchlässiges Element mit einer ersten Oberflächenregion zum Aufnehmen einer Haut, die darauf abgebildet werden soll, und eine Lichtquelle aufweist, die so angeordnet ist, dass bei der Betätigung Licht von der Lichtquelle durch eine zweite Oberflächenregion in das lichtdurchlässige Element eintritt und bei Abwesenheit von Haut vollständig intern reflektiert wird, wobei Polarisationsmittel in dem Pfad des Lichtes, das in das lichtdurchlässige Element eintritt, und in dem Pfad des Lichtes bereitgestellt werden, das daraus austritt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Bei der Erfindung wird ein System zum Betrachten einer internen anatomischen Struktur wie zum Beispiel eines Blutgefäßes mit einem hohen Kontrast zu ihrem Umgebungsgewebe geliefert, wobei das System eine komfortablere Verwendung schafft.
  • Diese und weitere Ziele der Erfindung werden durch eine Abbildungsvorrichtung mit den Merkmalen in Anspruch 1 erzielt. Vorteilhafte weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm des grundlegenden Abbildungssystems, das gemäß den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist.
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform, bei der eine Lichtquelle, die zwei getrennte Wellenlängenbereiche aussendet, und ein Digital-Bildprozessor und ein Einzelbilderfasser zur Verstärkung des Bildkontrasts offenbart sind.
  • 3 zeigt ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform, bei der ein System offenbart ist, bei dem zur Beseitigung von mehrfach gestreutem Licht Kollimatoren verwendet werden.
  • 4 zeigt ein schematisches Diagramm, in dem ein System zur Durchführung von phasenmodulierter Detektion eines reflektierten Bildes offenbart ist.
  • 5 zeigt ein schematisches Diagramm einer den Prinzipien der Erfindung gemäßen Abbildungs-Helm-Vorrichtung.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung liefert ein System zum Lokalisieren einer anatomischen Struktur, zum Beispiel eines Blutgefäßes, wobei das System eine Lichtquelle aufweist und einen Bilddetektor, der von einem Untersuchungsgebiet reflektierte Lichtstrahlung detektiert, und einen Monitor, der Bildinformation von dem Bilddetektor empfängt und anzeigt. Die Bezeichnung „Bilddetektor" ist auf jede beliebige Vorrichtung bezogen, die dazu in der Lage ist, Licht zu detektieren, und umfasst, ist aber nicht beschränkt auf Ladungsspeicherelement-Infrarotkameras (CCDs), Videokameras und Flüssigkristall- Fernsehdetektoren.
  • Die Erfindung weist Elemente auf, die in dem Bild den Kontrast zwischen der anatomischen Struktur und dem Umgebungsgewebe verstärken. Die Bezeichnung „kontrastverstärkendes Element" ist auf jedes beliebige Element oder jede beliebige Kombination von Elementen bezogen, das bzw. die in dem Bild den Kontrast zwischen der anatomischen Struktur und ihrem Umgebungsgewebe verstärkt, einschließlich Elemente, die Licht außerhalb der interessierenden Wellenlänge auslöschen, und Elemente, die Licht, welches von dem biologischen Gewebe im interessierenden Gewebebereich mehrfach gestreut ist, reduzieren, oder die Licht, welches von an den interessierenden Bereich angrenzendem Gewebe mehrfach gestreut ist, auslöschen. Das kontrastverstärkende Element, wie es hier definiert ist, weist auf, ist aber nicht beschränkt auf, Bandpassfilter, Digitalverarbeitungsfilter (Prozessordigitalfilter), Kollimatoren, polarisierende optische Komponenten, photorefraktive Kristalle, digitale Einzelbilderfasser, Blinkabbildungsmonitore, Phasenmodulatoren, konfokal-optische Geräte, exogene Farbstoffe und gefäßmodifizierende Verfahren.
  • Die Erfindung, bei der reflektiertes Licht detektiert wird, erlaubt es, dass die Lichtquelle und der Detektor für das reflektierte Bild Teil einer einzigen einstückigen Einheit sind. Eine solche einzige Einheit ermöglicht eine bequeme Benutzung, wobei es einer Pflegekraft ermöglicht ist, die Einheit zu halten oder die Einheit zu tragen, zum Beispiel in Form eines Helms. Wie untenstehend genauer beschrieben ist, ermöglicht die Möglichkeit einer einzigen einstückigen Einheit die Schaffung eines Helms, mit dem ein Echtzeit-Dreidimensional-Bild eines Bereichs innerhalb eines Patienten in einer Weise aufnehmbar ist, die direkt der Sichtlinie des Helmträgers entspricht. Gemäß der Erfindung weist eine einzige einstückige Einheit einen Helm, mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen abbildenden Detektor (Bilddetektor) auf, die auf dem Helm befestigt sind. Zusätzlich kann der Helm einen Monitor, zum Beispiel einen innerhalb eines Okulars vorgesehenen Monitor, aufweisen, der das von dem Helmträger betrachtete kontrastierte Bild der anatomischen Struktur anzeigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform empfangen zwei an Okularen des Helmes befestigte Bilddetektoren von dem Patienten reflektierte Information in Form von elektromagnetischer Strahlung. Die Lichtquelle kann optional mit einem Bündel optischer Filter gekoppelt sein, dessen Ende gegen die Haut gepresst ist, um spekulare Reflexion zu verringern. Die Information wird dann dazu verwendet, ein dreidimensionales Bild für die Echtzeitübertragung an einen Monitor, z. B. den in einem Okular der Kopfbedeckung enthaltenen Monitor zu erzeugen. Eine solche Ausführungsform erlaubt es dem Träger, die kontrastierte Struktur innerhalb eines Patienten in einer Weise zu sehen, die der eigenen Sichtlinie des Trägers entspricht.
  • Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung kann zur Verstärkung des Kontrasts zwischen der anatomischen Struktur und ihrem Umgebungsgewebe eine Vielzahl von Ausführungsformen verwendet werden. Anschließend wird das Licht durch die Zielstruktur, z. B. das Blutgefäßgewebe, absorbiert, jedoch nicht durch sein Umgebungsgewebe. Ein Filter kann im Weg des reflektierten Lichts, bevor dieses den Detektor erreicht, angeordnet sein, wodurch polychromatisches Rauschen beseitigt wird. Dann sendet der Bilddetektor (abbildende Detektor) ein Signal an einen Bildmonitor. Der Bilddetektor ist eine CCD-Kamera.
  • Bei einer Ausführungsform zur Kontrastverstärkung wird als die Beleuchtungsquelle ein Laser verwendet, der Strahlung bei einer einzigen Wellenlänge innerhalb des gewünschten Bereichs, z. B. von 700–900 nm, erzeugt. Das Zielgewebe einschließlich der anatomischen Zielstruktur, zum Beispiel des Blutgefäßes, wird mit Licht bestrahlt. Dann wird nur nicht absorbiertes Licht innerhalb des bedeutsamen Bereichs zurück zum Bilddetektor reflektiert. Eine solche Ausführungsform erlaubt es, im Bild jegliches andere polychromatische Licht, das als Quelle von Hintergrundrauschen dient, zu reduzieren.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine polarisierende optische Komponente wie zum Beispiel ein Polarisationsprisma dem Bandpassfilter hinzugefügt sein oder dasselbe ersetzen. Dadurch, dass das Licht polarisiert wird, bevor es das Gewebe erreicht, wird das reflektierte Licht auch in einer bestimmten Ebene bezüglich des Gewebes polarisiert. Somit kann durch eine vor dem Detektor angeordnete polarisierende optische Komponente bevorzugt solche von dem Gewebe reflektierte Strahlung herausgewählt werden, die die gleiche Polarisation hat. Alles stark gestreute Licht (Rauschen) und spekulare Reflexionen werden herausgefiltert, da stark gestreutes Licht zufällig polarisiert ist und spekulare Reflexionen vorwiegend in einer anderen Ebene polarisiert sind als einfallendes Licht. Diese Ausführungsform mit polarisierender Komponente kann sowohl bei Durchleuchtungslicht-Detektionssystemen als auch bei Reflexionslicht-Detetionssystemen verwendet werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform werden Kollimatoren verwendet, um viel von der stark gestreuten reflektierten Strahlung zu beseitigen. Bei einer Variation dieser Ausführungsform werden sowohl die Quelle als auch der Detektor in einem rasterartigen Muster gerastert, wobei das Bild im Verlauf der Periode des Rasterscans aufgebaut wird. Diese Variation erlaubt eine starke Kollimation des reflektierten Lichts.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein konfokales Abbildungssystem auf eine bestimmte interessierende Tiefe fokussiert. Licht von unterschiedlichen Tiefen und unterschiedlichen Positionen wird dadurch zurückgewiesen, dass am Brennpunkt der Optik ein Kollimator verwendet wird. Dann wird durch ein Abrastern des abzubildenden Objekts das Bild erzeugt.
  • Bei noch einer weiteren Ausführungsform wird das Gewebe bei zwei Wellenlängen beleuchtet, von denen eine von der Zielstruktur stark absorbiert wird, nicht jedoch von dem Umgebungsgewebe, und einer mit ungefähr der gleichen Streueffizienz, die jedoch sowohl von der Zielstruktur als auch von dem Umgebungsgewebe schwach absorbiert wird. Die beiden Bilder werden sequentiell mittels eines digitalisierenden Einzelbilderfassers erfasst, abgespeichert und voneinander subtrahiert. Bei dem Ergebnisbild fehlen die Auswirkungen von Streuung, die in jedem Bild vorhanden ist, da Streulicht heraussubtrahiert ist. Bei einer Variation werden zwei Wellenlängen abwechselnd auf das Ziel geleuchtet und auf dem Monitor angezeigt. Der Betrachter sieht an den Monitor eingespeiste Bilder abwechselnd. Da das menschliche Auge auf relativ rasche Änderungen der Lichtintensität besonders empfindlich reagiert, ist der Betrachter auf das stark kontrastierte Bild der anatomischen Struktur empfindlich. Durch dieses Blinkabbildungsverfahren ist zum Subtrahieren der Signale keine teure digitalelektronische Verarbeitung mehr erforderlich. Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Licht der Quelle phasenmoduliert, indem eine Modulationsquelle mit einem Lichtphasenmodulator, zum Beispiel einer Kerr-Zelle verbunden wird. Die Modulationsquelle moduliert auch den Bilddetektor derart, dass der Detektor nur elektromagnetische Strahlung misst, die den gleichen Modulationszustand hat wie das einfallende Licht. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass stark gestreutes Licht, das keine Bildinformation enthält, phasenverschoben wird. Folglich wird stark gestreutes Licht nicht detektiert. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Modulation dadurch erreicht, dass statt der Beleuchtungsphase die Beleuchtungsintensität variiert wird, zum Beispiel durch eine Modulation der Versorgungsspannung eines Diodenlasers. (Z. B. mit der Diodenlaser-Modulations-Spannungsquelle Modell S1011 von Thor-Labs, Newton, N.J.). Beide dieser Modulations-Ausführungsformen können sowohl bei Durchleuchtungslicht-Detektionssystemen als auch bei Reflexionslicht-Detetionssystemen verwendet werden.
  • Bei noch einer weiteren Weise der Bildkontrastverstärkung wird dem Patienten ein exogener Farbstoff zugeführt, der sich anschließend innerhalb der interessierenden anatomischen Struktur ansammelt. Der exogene Farbstoff ist in bezug auf eine bestimmte Lichtwellenlänge gegenüber dem Umgebungsgewebe stark absorbierend. Vor der Farbstoffzufuhr kann ein Bild aufgenommen werden und dieses anschließend von dem nach der Farbstoffzufuhr aufgenommenen Bild subtrahiert werden. Bei einem solchen Verfahren wird unerwünschtes Rauschen, das den beiden Bildern gemeinsam ist, heraussubtrahiert und nur ein verstärktes Bild übriggelassen. Alternativ können die Bilder abwechselnd angezeigt werden, so dass der Bediener vermöge des oben genannten Blinkabbildungsverfahrens das stark kontrastierte Bild betrachtet. Bei einer weiteren Technik wird der exogene Farbstoff durch das Umgebungsgewebe angesammelt, nicht jedoch durch die interessierende anatomische Struktur, wodurch Bildkontrast erzeugt wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Bilddetektor ein Flüssigkristall-Fernseh-Detektor, wie er zum Beispiel von Sony Electronics, Inc. Itasca, IL erhältlich ist. Mit dem Flüssigkristall-Fernseh-Detektor ist phasenempfindliche Detektion möglich. Siehe z. B. Alliance for Photonic Technology Industrial Quarterly, Vol. 3, no. 2, p. 3 (Winter/Spring 1995). Bei dieser Ausführungsform wird die Lichtquelle synchron mit dem Detektor phasenmoduliert, so dass der Detektor nur dasjenige Licht erfasst, das mit der gleichen Frequenz moduliert ist, und alles andere Licht unberücksichtigt lässt. Folglich wird stark gestreutes Licht, das bezüglich des von der Quelle einfallenden Lichts phasenverschoben ist, beseitigt.
  • Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist der Bilddetektor ein Flüssigkristall-Fernseh-Detektor, der alle Phaseninformation erfasst. Jedoch wird von dem Detektor, statt dass er das einfallende Licht phasenmoduliert, Licht aller Phasen erfasst und anschließend Phaseninformation gemeinsam mit Intensitätsinformation an eine Vorrichtung gesendet, die dazu verwendet wird, ein dreidimensionales Bild der anatomischen Struktur zu konstruieren. Dadurch, dass Phaseninformation erfasst wird, kann mit dieser Ausführungsform Echtzeitholographie in drei Dimensionen durchgeführt werden. Bei einer Variation dieser Ausführungsform mit einem dreidimensionalen Bild wird als Bilddetektor zum Erfassen des Bildes ein photorefraktiver Kristall oder ein photorefraktives Polymer direkt verwendet (z. B. Lithiumniobat von CSK Optronics, Culver City, CA). Anschließend wird ein Hologrammbild erzeugt, indem der Kristall oder das Polymer in Echtzeit beleuchtet wird. Alternativ kann der Kristall oder das Polymer seine Eingabe von der Ausgabe des Flüssigkristall-Fernseh-Detektors empfangen.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Ein in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Erfindung konstruiertes Abbildungssystem ist in 1 gezeigt und weist eine Lichtquelle 2 auf, die einen Strahl von einfallendem Licht 4 so auf ein biologisches Gewebe 6 strahlt, dass der Strahl teilweise durch das biologische Gewebe transmittiert wird, bis er von der anatomischen Zielstruktur 8 absorbiert wird. Ein Bilddetektor 12 (z. B. Modell CCD-72 Kamera, erhältlich von Dage-MTI, Inc.) detektiert reflektiertes Licht 16, das vorwiegend von die anatomische Zielstruktur umgebendem Gewebe, das eine andere Absorptionswellenlänge hat als die anatomische Struktur, reflektiert wird. Der Bilddetektor 16 ist durch ein Videosignal 18 mit einem Monitor 14 verbunden, so dass die Intensitätsinformation von von dem Gewebe reflektiertem einfallendem Licht auf dem Monitor in Form eines Bilds angezeigt wird.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine polarisierende optische Komponente 22a, zum Beispiel ein Polarisationsfilter (z. B. erhältlich von Ealing Electro-Optics Ind., Holliston, MA oder Oriel Corp., Stratford, CT), in Kombination mit einem Laser oder einer anderen monochromatischen Lichtquelle verwendet. Zu monochromatischen Lichtquellen zählen, um Beispiele zu nennen, die Modell 6124 Laserdiode von New Focus, Inc., Sunnyvale CA, der Model Micralase von Micracor, Inc., Acton MA, und der MDL-DLAW10 von McDonnell Douglas Aerospace, St. Louis MO. Das Polarisationsfilter bewirkt dadurch, dass es das einfallende Licht in einer speziellen Ebene bezüglich des Gewebes polarisiert, dass einfach reflektiertes Licht eine bestimmte Polarisation hat. Anschließend wird mittels einer vor dem Detektor vorgesehenen zweiten polarisierenden optischen Komponente 22b vorzugsweise einfach reflektierte von der Lichtquelle kommende Strahlung ausgewählt. Mehrfach gestreute Strahlung, die wenig Bildinformation trägt, ist typischerweise zufällig polarisiert und tritt somit nicht durch die zweite polarisierende optische Komponente 22b hindurch und auf den Bilddetektor 12. In dem Fall, wenn für die Lichtquelle 2 eine polychromatische Lichtquelle verwendet wird, kann das Polarisationsfilter mit einem Bandpassfilter 10, der Ladungsspeicherelement-Infrarotkamera, dem Digital-Bildprozessor aus 2 oder jeder Kombination dieser drei verwendet werden. Wenn die Laserlichtquelle 2 einen Laser oder eine andere monochromatische Lichtquelle aufweist, kann ebenso jede Kombination dieser drei Elemente verwendet werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 2 für ein Abbildungssystem mit einem digitalen Bildprozessor und Einzelbilderfasser 24 (wie zum Beispiel dem CSP-200-Prozessor von Dage-MTI Inc.) gezeigt. Bei dieser Ausführungsform kann das Gewebe mittels einer Lichtquelle 20 beleuchtet werden, die mindestens zwei Wellenlängen aussendet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das biologische Gewebe 6 mit einer Wellenlänge beleuchtet, die das Gewebe durchdringt und dabei von der anatomischen Zielstruktur 8 schwach absorbiert wird. Im Fall eines Blutgefäßes, das Blut enthält, würde die Wellenlänge von zwischen 700 nm und 900 nm, vorzugsweise um 800 nm, ausreichen. Danach wird das reflektierte Bild mit einem Digital-Bildprozessor erfasst, der einen digitalen Einzelbilderfasser enthält, und abgespeichert. Als nächstes wird das selbe Gewebefeld mit einer zweiten Wellenlänge beleuchtet, die in der Frequenz nahe genug bei der ersten Wellenlänge liegt, dass die Streueffizienz des Gewebes ungefähr die gleiche ist. Jedoch muss die zweite Wellenlänge von der anatomischen Zielstruktur entweder schwächer oder stärker absorbiert werden. Dieses zweite Bild wird erfasst und mittels des Digital-Bildprozessors 24 von dem vorherigen subtrahiert; somit sind die Streueffekte aus dem Ergebnisbild entfernt, und nur der Unterschied in der Absorption zwischen den beiden Bildern ist zu sehen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Zwei-Wellenlängen-Ansatzes ist der Digital-Bildprozessor 24 insgesamt beseitigt. Dadurch, dass das biologische Gewebe mit zwei Wellenlängen beleuchtet wird, und die in jeder gesonderten Wellenlänge reflektierten Bilder abwechselnd auf dem Monitor 14 angezeigt werden, erscheint und verschwindet die anatomische Zielstruktur sequentiell. Das menschliche Auge ist in bezug auf relativ rasche Änderungen der Lichtintensität besonders empfindlich und detektiert über einen physiologischen Prozess, der als Blinzelbilderzeugung bekannt ist, den Umriss der Zielstruktur.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 3 gezeigt und offenbart ein System, bei dem zur Beseitigung von mehrfach gestreutem Licht Kollimatoren verwendet werden. Komponenten, die den bereits in Verbindung mit 1 identifizierten entsprechen, haben die gleiche Bezugszeichen. Bei dieser Ausführungsform wird mindestens ein Kollimator 26 verwendet, um mehrfach gestreute Photonen 28 davon abzuhalten, den Bilddetektor 12 zu erreichen. Auf diese Weise wird durch eine starke Kollimation das Hintergrundrauschen, das zur Erzeugung eines Bildes nicht nutzbar ist, reduziert. Falls eine extrem starke Kollimation benötigt wird, kann es erforderlich sein, dass die Lichtquelle und der Bilddetektor in einem rasterartigen Muster gescannt werden und das Bild im Verlauf der Periode eines Rasterscans aufgebaut wird. Die Kollimatoren können in Verbindung mit jeder der möglichen Kombinationen der in 1 und 2 gezeigten kontrastverstärkenden Elemente verwendet werden. Die Kollimatoren sollten in Verbindung mit einem Bandpassfilter 10, einem selektiven Bilddetektor 12 wie zum Beispiel einer Infrarot-CCD, einem Digital-Bildprozessor 24 oder einer beliebigen anderen Vorrichtung, mit der es möglich ist, reflektiertes Licht außerhalb der interessierenden Wellenlänge zu beseitigen, verwendet werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 4 gezeigt und offenbart ein System zur Durchführung einer phasenmodulierten Detektion eines reflektierten Bildes. Bei dieser Ausführungsform wird einfallendes Laserlicht mittels einer Modulationsquelle 30, die einen Lichtphasenmodulator, zum Beispiel eine rotierende asphärische Optik oder eine Kerr-Zelle (z. B. erhältlich von Meadowlark Optics, Longmont Co., Advanced Optronics Inc., San Jose CA., oder Ninds Instruments Inc., Nillsboro OR.) steuert, phasenmoduliert. Die Modulationsquelle 30 steuert den phasenempfindlichen Bilddetektor 32, zum Beispiel einen Flüssigkristall-Video-Fernseher. Somit misst der Bilddetektor nur dasjenige reflektierte Licht, das den gleichen Modulationszustand hat wie das einfallende Licht. Alles andere Licht wird aus der Messung entfernt. Da stark gestreutes Licht phasenverschoben ist, würde solches Licht auch beseitigt. Die Modulationsquelle 30 kann auch zwei unabhängige phasenangepasste Quellen aufweisen, von denen eine den Modulator steuert und eine den Detektor 32 steuert.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 5 gezeigt und offenbart ein System des Lenkens von zweiäugiger Stereoabbildung einer anatomischen Zielstruktur. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird dreidimensionale Tiefeninformation dadurch innerhalb des Bildes untergebracht, dass unter Verwendung zweier Bilddetektoren 34a und 34b (z. B. infrarotempfindliche Videokameras mit fokussierbaren Okularen und Objektivlinsen, Modell 8900, von FJW Optical Systems Inc., Palatine, IL.) von dem Bereich des Zielgewebes kommendes reflektiertes Licht unter zwei Winkeln detektiert wird. Bei einer Variation dieser Ausführungsform ist eine Lichtquelle 38 (z. B. MDL-DLAW10 Diodenlaser von McDonnell Douglas Aerospace, St. Louis, MO mit LD1001 Treiber von Thor-Labs, Newton NJ und 12 V Gleichspannungsquelle) an einem Helm 40 (z. B. The Physician's Headlight von Welch-Allyn Inc., Skaeneateles Falls, NY) befestigt, der wiederum die beiden Bilddetektoren 34a und 34b hält. Der Ausgang der Lichtquelle kann optional mit einer Laserdioden-Kollimationsoptik (z. B. Modell LT110P-B von Thor- Labs, Newton, N.J.) fokussiert werden, so dass in einem Abstand von ungefähr 50,8 cm (20 Inches) ein Leuchtfleck von ungefähr 1 mm erzeugt wird. Das einfallende Licht 4 wird von dem Zielgewebe als 16a und 16b zurückreflektiert.
  • Bei einer Variation der bevorzugten Ausführungsform sind vor den Videokameras Bandpassfilter 46a und 46b (z. B. Filter mit 808 nm Mittenfrequenz Modell BP Series-3 Cavity von Omega Optical, Inc., Brattlebro, VT) angeordnet, um alles Umgebungslicht herauszufiltern. Bei einer weiteren Variation sind Linearpolarisationsfilter (z. B. Filter Modell 27805 von Oriel Corp., Stratford, CT) vorgesehen, von denen einer zwischen der Laserlichtquelle und dem Gewebe und die anderen an jedem Okular angeordnet sind, wodurch gestreutes (zufällig polarisiertes Licht) beseitigt wird. Jeder Detektor erfasst zurückreflektiertes Licht unter einem leicht unterschiedlichen Winkel, wodurch ein stereoskopischer Effekt erzeugt wird. Aus den Ausgängen der Bilddetektoren 40a und 40b wird die Information zur Verarbeitung an einen Monitor 14 gesendet, und um gegebenenfalls das stark kontrastierte Gewebegebiet dreidimensional anzuzeigen. Bei einer Variation dieser Ausführungsform können die Monitore in den Okularen 44a und 44b des Helms vorgesehen sein, z. B. an den Bilddetektoren 34a und 34b befestigt sein oder ein Teil von ihnen sein, wodurch es dem Träger der Brille möglich ist, das Subjekt zu untersuchen, als ob er durch das die anatomische Zielstruktur umgebende Gewebe hindurchsehen würde.
  • Bei einer weiteren Variation dieser Ausführungsform sind die beiden Bilddetektoren an einem automatisierten chirurgischen Instrument (Gerät) befestigt. Die Ausgaben der Detektoren 34a und 34b werden an einen entfernten Monitor gesendet, der ein dreidimensionalen Bild des Zielgewebes anzeigt. Dann wird das chirurgische Instrument unter Verwendung eines positionsempfindlichen Stellmotors fernbedient. Entsprechend können bestimmte Vorgänge wie zum Beispiel die Venenpunktion durch den Bediener aus der Ferne durchgeführt werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung wird der Bildkontrast dadurch verstärkt, dass ein exogener Farbstoff injiziert wird, der sich in der interessierenden anatomischen Struktur ansammelt. Alternativ sammelt sich der exogene Farbstoff im Umgebungsgewebe an, nicht jedoch in der interessierenden anatomischen Struktur. Zum Beispiel absorbiert Indocyanin-Grün-(ICG)-Farbstoff stark in der Nähe von 800 nm, wo Gewebe relativ stark transmittiert. Flock, S. et al., "Thermal Damage of Blood Vessels using Indocyanine Green and a Pulsed Alexandrite Laser," Laser Med. Sci., 8: 185–196 (1993). Unter Verwendung einer 800 nm Beleuchtungsquelle wird ein reflektiertes Bild aufgenommen. Dann wird ICG aufwärts injiziert und ein zweites Bild aufgenommen. Das erste Bild wird von einem Digitalprozessor gespeichert, und das zweite Bild wird mittels des Digitalprozessors heraussubtrahiert, und das Ergebnis wird wie zuvor beschrieben angezeigt. Alternativ kann der Bediener das Bild unter Verwendung des Blinzelabbildungsverfahrens (Blinkabbildungsverfahrens) überwachen, wie zuvor ohne die Zuhilfenahme von Digitalverarbeitung beschrieben wurde. Auch können andere exogene Farbstoffe wie zum Beispiel Hämatoporphyrin verwendet werden.
  • Bei einer Variation dieser Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung wird ein monoklonaler Antikörper zu einem bestimmten Antigen an ein lichtabsorbierendes Farbradikal (Chromophor) gebunden. Danach wird der Antikörper an das interessierende Zielgewebe gebunden. Danach wird das Zielgebiet mit Licht einer Wellenlänge beleuchtet, die von dem Farbradikal absorbiert wird, und das Ergebnisbild wird detektiert. Alternativ kann eine Wellenlänge verwendet werden, die ein an den Antikörper gebundenes Fluorophor anregt, woraufhin Fluoreszenz des Fluorophors detektiert wird. Mit dieser Technik lässt sich ein Bild jeder durch Antikörpertechnologie bindbaren subkutanen Pathologie erstellen. Zum Beispiel wird ein monoklonaler Antikörper zu einem Hepatozyten-Zelloberflächen-Antigen injiziert, und mittels der Erfindung kann ein Bild der Leber erzeugt werden. Eine solche Technik kann in Verbindung mit jedem der oben genannten Systeme und jeder der oben genannten Kombinationen verwendet werden.
  • Bei einer weiteren Variation dieser Ausführungsform der Abbildungsvorrichtung können Moleküle mit einer Plaque- oder Cholesterinaffinität in den Blutfluss injiziert werden. Diese Moleküle sammeln sich dann auf Plaque in den Blutgefäßen an. Hayashi et al., "Tansadvential Localization of Atheromatous Plaques by Fluorescence Emission Spectrum Analysis of Mono-L-aspartyl-chlorin e6,", Cardiovasc. Research, 27: 1943–1947 (1993). Bei dieser Variation wird auf Grundlage des differentiellen Absorptionsvermögens des Medikaments oder, alternativ, des Fluoreszenzvermögens des Medikaments bei einer bestimmten Wellenlänge eine Beleuchtungswellenlänge ausgewählt. Danach wird nach einer Beleuchtung bei der geeigneten Wellenlänge das Kontrastbild mittels des Bilddetektors detektiert.
  • Bei noch einer weiteren Variation dieser Ausführungsform werden Bilder von einem Blutgefäß aufgenommen, bevor eine gefäßmodifizierende Prozedur durchgeführt wird. Zum Beispiel kann nach einer ersten Bilddetektion eine Manschette an das Blutgefäß angelegt werden, wodurch die Blutdichte modifiziert wird. Danach wird ein zweites Bild detektiert und von dem ersten Bild subtrahiert. Alternativ kann nach einer ersten Detektion Eis auf die Hautoberfläche aufgebracht werden, wodurch der Blutfluss modifiziert wird. Wieder wird das Bild von nach der modifizierenden Prozedur von dem Bild von vor der modifizierenden Prozedur subtrahiert, um die Umrisse des Gefäßes zu erzeugen.

Claims (4)

  1. Abbildungsvorrichtung, aufweisend: eine Lichtquelle (2), einen Innere-Anatomische-Struktur-Infrarot-Bild-Detektor (12), der ferner eine CCD Videokamera aufweist, welche Licht von der Lichtquelle detektiert, nachdem es von einer inneren anatomischen Zielstruktur innerhalb eines biologischen Gewebes reflektiert wurde, einen Bandpassfilter, der in dem Lichtweg zwischen der Lichtquelle (2) und der Videokamera angeordnet ist, und einen Monitor (14), welcher ein Bild der inneren anatomischen Struktur anzeigt, das von dem Bild-Detektor (12) empfangen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner einen Helm (40) aufweist, an dem der Bild-Detektor (12) und die Lichtquelle (2) montiert sind, und dass der Bandpassfilter nur Wellenlängen innerhalb des Bereiches von 700–900 nm durchlässt, sodass die Videokamera nur Strahlung innerhalb des Bereiches von 700–900 nm detektieren kann.
  2. Abbildvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Monitor (14) an dem Helm (40) montiert ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein kontrastverstärkendes Element aufweist, welches zwischen der Lichtquelle und dem biologischen Gewebe ein polarisierendes optisches Element in dem Pfad des einfallenden Lichts und zwischen dem biologischen Gewebe und dem Abbildungs-Detektor ein auswählendes polarisierendes optisches Element in dem Pfad des reflektierten Lichts aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Helm aus drei Kopfriemen hergestellt ist.
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